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        “阿麗塔”不科幻 腦機(jī)接口已在現(xiàn)實(shí)中萌芽

        2019-09-10 07:22:44
        科學(xué)大觀園 2019年6期
        關(guān)鍵詞:接口技術(shù)腦機(jī)電信號(hào)

        早在半個(gè)世紀(jì)前,科學(xué)家就有了將大腦與機(jī)器連接起來(lái)的想法。只不過(guò),相關(guān)技術(shù)一直不太成熟。直到2000年左右,腦電波檢測(cè)等技術(shù)出現(xiàn)重大進(jìn)展,為腦機(jī)接口技術(shù)注入了新的發(fā)展活力。

        街頭賣(mài)藝的殘疾人可以用機(jī)械臂自如地彈吉他;女主角阿麗塔只有大腦保存完好,但在依德醫(yī)生為她安裝了機(jī)械肢體后,阿麗塔奇跡般地復(fù)活了。這是最近上線的科幻電影《阿麗塔:戰(zhàn)斗天使》中的情節(jié)。該片呈現(xiàn)了一個(gè)人機(jī)融合極為普遍的未來(lái)世界。其中形形色色的半機(jī)械人,都離不開(kāi)腦機(jī)接口(Brain Computer Interface,簡(jiǎn)稱BCI)的支撐——畢竟,離開(kāi)大腦的指揮,功能再?gòu)?qiáng)大的機(jī)械肢體也難以動(dòng)彈。

        敲鍵盤(pán)是我們與計(jì)算機(jī)交互的主要方式,近幾年興起的語(yǔ)音交互是人工智能技術(shù)帶來(lái)的新的交互可能。而腦機(jī)接口技術(shù)將再次帶來(lái)全新的人機(jī)交互方式?!澳X機(jī)接口是讓大腦和機(jī)器直接溝通的一種系統(tǒng),它可以讓人腦與機(jī)器互聯(lián),人機(jī)之間的信息傳遞或通信控制會(huì)變得更加方便。” 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員王毅軍在接受記者采訪時(shí)說(shuō)。

        簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是可以靠直接提取大腦神經(jīng)信號(hào)來(lái)控制外部設(shè)備。

        “從技術(shù)上來(lái)說(shuō),腦機(jī)接口技術(shù)可分為侵入式和非侵入式兩大類?!蓖跻丬娬f(shuō)。

        在大腦中植入電極或芯片屬于侵入式的腦機(jī)接口。人的大腦中有上千億個(gè)神經(jīng)元,通過(guò)植入電極,可以精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)。這種方式的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)大腦造成一定損傷。

        而頭戴式的腦電帽則屬于非侵入式的腦機(jī)接口,它主要是使用腦電帽上的電極從頭皮上采集腦電信號(hào)。這種方式可以在頭皮上監(jiān)測(cè)到群體神經(jīng)元的放電活動(dòng),缺點(diǎn)是不夠精準(zhǔn)。

        其實(shí)早在半個(gè)世紀(jì)前,科學(xué)家就有了將大腦與機(jī)器連接起來(lái)的想法。只不過(guò),相關(guān)技術(shù)一直不太成熟,腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)展緩慢。直到2000年左右,腦電波檢測(cè)等技術(shù)的重大進(jìn)展,為腦機(jī)接口技術(shù)注入新的發(fā)展活力。

        如今,腦機(jī)接口技術(shù)已成為科技大佬們關(guān)注的前沿技術(shù)。

        美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)掌門(mén)人埃隆·馬斯克就投資了一家名為“Neuralink”的腦機(jī)接口初創(chuàng)公司。臉書(shū)公司也于2017年透露,它擁有一支工程師團(tuán)隊(duì)研發(fā)腦機(jī)接口技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用光學(xué)成像設(shè)備每秒掃描大腦100次,從而實(shí)現(xiàn)讓用戶直接用意識(shí)打字。

        醫(yī)療領(lǐng)域是腦機(jī)接口的主要用武之地。美國(guó)研究人員曾展示,利用腦機(jī)接口技術(shù),使殘障患者通過(guò)控制機(jī)械臂進(jìn)行活動(dòng),比如拿起水杯喝水。

        但腦機(jī)接口不一定非要用來(lái)控制機(jī)械臂。這種技術(shù)目前還可以用來(lái)進(jìn)行神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和康復(fù)。比如,癲癇病人的大腦會(huì)出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元異常放電,通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)檢測(cè)到神經(jīng)元異常放電后,可以對(duì)大腦進(jìn)行相應(yīng)的電刺激,從而減少癲癇發(fā)作。

        王毅軍表示,中風(fēng)患者在失去肢體控制能力后,也可以通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)患者的大腦運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行訓(xùn)練,幫助病人進(jìn)行康復(fù)。

        除醫(yī)療領(lǐng)域外,腦機(jī)接口技術(shù)目前還被用于航空航天、教育、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域。例如,在航空航天領(lǐng)域,該技術(shù)可幫航天員用大腦更好地操控機(jī)械外殼,在特殊環(huán)境下執(zhí)行任務(wù);在教育領(lǐng)域,它能訓(xùn)練學(xué)生的注意力等。

        最具吸引力的還是腦機(jī)接口技術(shù)的未來(lái)前景。未來(lái)腦機(jī)接口的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些?可以想想我們平時(shí)用大腦做了哪些事情。最根本的改變是,一旦大腦與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)更好、更快的交互,人與人之間、人與計(jì)算機(jī)之間的交互效率將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

        比如現(xiàn)在語(yǔ)言是人與人之間交流的重要方式,在說(shuō)話前,大腦已編輯、形成相關(guān)信息,再通過(guò)控制肌肉運(yùn)動(dòng)將這些信息以語(yǔ)音的形式表達(dá)出來(lái)。這樣通過(guò)語(yǔ)音對(duì)話進(jìn)行交流的方式,效率很低。

        “未來(lái)可以通過(guò)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)生物智能與機(jī)器智能的融合,即腦機(jī)混合智能,使大腦與大腦之間、大腦與計(jì)算機(jī)之間直接進(jìn)行信息溝通,信息溝通的效率將被大大提高,從而真正實(shí)現(xiàn)‘心想事成’和‘意念控制’?!蓖跻丬娬f(shuō)。

        盡管前景十分美好,現(xiàn)階段腦機(jī)接口技術(shù)還存在很多尷尬的問(wèn)題?!耙阅壳扒秩胧降哪X機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用為例,在大腦中植入電極后,周圍的膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)逐漸將電極包裹起來(lái),電極監(jiān)測(cè)到的神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)越來(lái)越少?!?王毅軍說(shuō),幾年甚至幾個(gè)月后,電極就完全監(jiān)測(cè)不到神經(jīng)元活動(dòng),如果需要再次使用,就得重新植入電極。而電極的植入不但會(huì)損傷大腦神經(jīng)元,也會(huì)有感染的風(fēng)險(xiǎn)。

        頭戴式的腦電帽雖然不會(huì)損傷大腦,但每次使用時(shí)都需要洗干凈頭發(fā),往腦電帽的電極中注入導(dǎo)電膠,操作起來(lái)十分麻煩。

        拋開(kāi)上述問(wèn)題,腦機(jī)接口的應(yīng)用效果也不是很理想。比如通過(guò)腦機(jī)接口操控的機(jī)械臂還很難像真人的肢體一樣靈活??傮w來(lái)說(shuō),腦機(jī)接口系統(tǒng)還缺乏安全、高效、成本又低的解決方案。

        腦機(jī)接口的發(fā)展受制于相關(guān)技術(shù)的成熟程度。首先腦電信號(hào)的采集涉及到材料學(xué),因?yàn)橹踩氪竽X的裝置,十分容易造成人體感染,那么就需要改進(jìn)材料技術(shù)去解決這一問(wèn)題。

        同時(shí)還需要精密電子電路技術(shù),因?yàn)槟X機(jī)接口需要采集神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào),這些信號(hào)極其微弱。假如電路中的噪音稍大,就會(huì)影響腦電信號(hào)的采集。

        人工智能也是腦機(jī)接口需要利用的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。因?yàn)樵诓杉罅磕X電信號(hào)之后,需要訓(xùn)練人工智能系統(tǒng),使其學(xué)會(huì)分析處理這些復(fù)雜的信號(hào)。醫(yī)療技術(shù)更是不可或缺。正如影片《阿麗塔:戰(zhàn)斗天使》中展示的,在到處都是半機(jī)械人的廢鐵城中,醫(yī)生扮演著重要角色。現(xiàn)實(shí)中,腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也離不開(kāi)相關(guān)醫(yī)療技術(shù)的精密配合。

        “但最重要的方面是腦科學(xué)研究。因?yàn)橹挥兄来竽X是怎么回事,了解大腦是如何運(yùn)作的,才能更好地解讀大腦生成的信息?!睂<艺f(shuō),目前對(duì)于諸如聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)等只涉及大腦局部區(qū)域的腦電信號(hào),學(xué)界已了解得比較深入。但對(duì)于大腦高級(jí)功能產(chǎn)生的腦電信號(hào),比如回憶、復(fù)雜情感等,學(xué)界目前對(duì)其了解程度還很有限。

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